Chương 6: Khảo sát dãy số và phương trình sai phân pdf

252 Chương 6. Khảo sát dãy số và phương trình sai phân Từ định nghĩa ta có Γ(1) = ∞  0 e −x dx = −e −x | ∞ 0 =0+1=1 (1.12). Tích phân từng phần ta được t  0 x n−1 e −x dx = −t n−1 e −t +(n −1) t  0 x n−2 e −x dx. Dùng Định lý L’Hospital ta có −t n−1 e −t tiến đến 0 khi t ra ∞.Vìvậy, Γ(n)= ∞  0 x n−1 e −x dx =(n −1) ∞  0 x (n−1)−1 e −x dx (1.13) hay Γ(n)=(n −1)Γ(n − 1) (1.14) và thay n bởi n +1ta được Γ(n +1)=nΓ( n), Γ(n)= Γ(n +1) n . (1.15) Từ (1.14) suy ra Γ(n)=(n −1)Γ(n −1)=(n −1)( n − 2)Γ(n −2) =(n −1)(n − 2)(n −3) ···3 · 2 ·1 ·Γ(1) = (n −1)! Từ (1.12) ta được Γ(1) = 1, do đó Γ(n)=(n −1)!. Người ta đã tính được các giá trị của Γ(n) với 1 <n<2 và nhờ các công thức (1.14) và (1.15) ta có thể tính Γ(n) với mọi giá trị dương của n. 6.2. Tính tổng bằng phương pháp sai phân 253 Ví dụ 6.24. a. Γ(3.2) = (2.2)(1.2)Γ(1.2) = (2.2)(1.2)(0.9182) = 2.424. b. Γ(0.6) = Γ(1.6) 0.6 = 0.8935 0.6 =1.489. c. Γ(0.5) = √ π. Với n là số thực âm ta sẽ dùng công thức (1.15) để tính Γ(n). Ví dụ 6.25. Γ(−0.4) = Γ(0.6) −0.4 = Γ(1.6) (−0.4)(0.6) = −3.723 Chú ý 6.3. Người ta chứng minh được rằng với n =0và n nguyên âm thì Γ(n) không xác định. Hàm Beta Hàm Beta được định nghĩa bởi β(m, n)= 1  0 x m−1 (1 −x) n−1 dx (1.16). Hàm Beta xác định với mọi m, n > 0. Đặt y =1− x ta có β(m, n)= 1  0 x m−1 (1 − x) n−1 dx = 1  0 y n−1 (1 −y) m−1 dy = β(n, m). (1.17) Tiếp theo ta sẽ tìm mối liên hệ giữa hàm Gamma và hàm Beta. Trong (1.11) đặt x = z 2 ,dx=2zdz; ta được Γ(n)=2 ∞  0 z 2n−1 e −z 2 dz. Từ đó ta có Γ(m)=2 ∞  0 e −x 2 x 2m−1 dx Γ(n)=2 ∞  0 e −y 2 y 2n−1 dy 254 Chương 6. Khảo sát dãy số và phương trình sai phân Γ(m)Γ(n)=4 ∞  0 ∞  0 e −x 2 −y 2 x 2m−1 y 2n−1 dydx. Chuyển sang tọa độ cực ta có Γ(m)Γ(n)=4 ∞  0 π 2  0 e −r 2 r 2m−1 (cos θ) 2m−1 r 2n−1 (sin θ) 2n−1 rdrdθ =2 ∞  0 e −r 2 r 2(m+n)−1 dr · 2 π 2  0 (cos θ) 2m−1 (sin θ) 2n−1 dθ =Γ(m + n) ·2 π 2  0 (cos θ) 2m−1 (sin θ) 2n−1 dθ. Ta sẽ chứng minh rằng β(m, n)=2 π 2  0 (cos θ) 2m−1 (sin θ) 2n−1 dθ. Đặt x = cos 2 θ, (1 − x)=sin 2 θ, dx = −2 cos θ sin θdθ. Ta được π 2  0 (cos θ) 2m−1 (sin θ) 2n−1 dθ =  π 2 0 ( cos 2 θ) m−1 (sin 2 θ) n−1 (−2 cos θ sinθdθ) =2 π 2  0 (cos θ) 2m−1 (sin θ) 2n−1 dθ. Vậy ta có Γ(m)Γ(n)=Γ(m + n)β(m, n) hay β(m, n)= Γ(m)Γ(n) Γ(m + n) . 6.2. Tính tổng bằng phương pháp sai phân 255 Ví dụ 6.26. Tính tích phân π 2  0 sin n xdx, n > −1. Đặt y = sin x, dy = cos xdx. Suy ra dx = dy cos x =(1−y 2 ) −1 2 dy. Khi đó π 2  0 sin n xdx = 1  0 y n (1 −y 2 ) −1 2 dy. Đặt z = y 2 ,dz =2ydy,dy = dz 2 √ z . Ta có 1  0 y n (1 −y 2 ) −1 2 dy = 1  0 z n 2 − 1 2 (1 −z) −1 2 dz = 1 2 1  0 z n+1 2 −1 (1 −z) 1 2 −1 dz = 1 2 β  n +1 2 , 1 2  = Γ  n+1 2  Γ  1 2  2Γ  n+1 2 + 1 2  = √ π 2 · Γ  n+1 2  Γ  n+2 2  . Bài tập 1. Tính các tổng sau: 1. S =1· 1! + 2 · 2! + ···+ n ·n!= n  k=1 k · k!. 2. S =1 3 +2 3 + ···+ n 3 = n  k=1 k 3 . 3. S = sin x + sin 2x + ···+ sin nx 4. S = cos x + cos 2x + ···+ cos nx 5.S = a + aq + ···+ aq n−1 6. S = sin(a + x) + sin( a +2x)+···+ sin(a + nx) 256 Chương 6. Khảo sát dãy số và phương trình sai phân 7. S = cos(a + x) + cos(a +2x)+···+ cos(a + nx) 8. S =1· q +2·q 2 + ···+ n · q n 9. S = 1 2 1 + 1 2 +2 2 2 + 1 2 +2 2 +3 2 3 + ···+ 1 2 +2 2 +3 2 +···+n 2 n . 10. 1 · 3+2· 4+3· 5+···+ n(n +2). 11. 1 · 2 2 +2· 3 2 +3· 4 2 + ···+ n(n +1) 2 . 12. S = 1 1·2 + 1 2·3 + ···+ 1 n·(n+1) . 13. S = 1 1·2·3 + 1 2·3·4 + ···+ 1 (n−2)·(n−1)·n + 1 (n−1)·n·(n+1) . 14. S = sin πx + sin π 2 x + ···+ sin π n−1 x. 15. S =  2 1 sin 2 θ 2 1  2 +  2 2 sin 2 θ 2 2  2 + ···+  2 n sin 2 θ 2 n  2 . 16. 6 · 9+12· 21 + 20 · 37 + 30 ·57 + 42 · 81 ···+ (n số hạng). 17. S = 1 1·4 + 1 4·7 + 1 7·10 + ··· (n số hạng). 2. Tính các tổng sau: 1. 1 2 · 2+2 2 · 2 2 +3 2 · 2 3 + ···+ n 2 2 n . 2. 2 · 2+6·2 2 +12· 2 3 +20· 2 4 +30· 2 5 + ··· (n số hạng). 3. n  1 x sin x. 4. Giả sử f x là một hàm khả tích hữu tỷ bậc n. Chứng minh rằng, tích phân từng phần liên tiếp cho ta công thức ∆ −1 a x f x = a x a −1  f x − a a −1 ∆f x +  a a −1  2 ∆ 2 f x +···+(−1) n  a a −1  n ∆ n f x  . 5. Sử dụng kết quả câu 4 tính n  1 3 x x (2) , n  1 2 x (x 3 − 3x +2). 6. S = 1 1·2·4 + 1 2·3·3 + 1 3·4·6 + ···+ 1 n·(n+1)·(n+3) . 7. n  1 1 (5x−2)(5x+3) 8. n  1 1 (2x−1)(2x+1)(2x+5) . 9. S = 1·2 3 + 2·3 3 2 + 3·4 3 3 + 4·5 3 4 + ··· (n số hạng). 3. Tính các tổng sau: 6.3. Phương trình sai phân tuyến tính với hệ số hằng 257 1. n  1 f x ,f x = x (x+1)(x+2) 2 x . 2. n  1 f x ,f x = 2x−1 2 x −1 . 3. n  1 f x ,f x = x 2 +x−1 (x+2)! . 4. n  1 f x ,f x =2 x · x · x! (2x+1) !. 5. n  0 f x ,f x = (a+x) 2 3 a+x . 4 Chứng minh các đẳng thức sau: 1. 1  0 x 2n dx √ 1−x 2 = √ π 2 · Γ  2n+1 2  Γ  n+1  . 2. π 2  0 sin n x cos m xdx = 1 2 · Γ  n+1 2  Γ  m+1 2  Γ  n+m 2 +1  . 3. ∞  0 x n e −ax dx = Γ(n+1) a n+1 . 4. 1  0 dx √ 1−x n = √ πΓ  1 n  nΓ  1 n + 1 2  . 5. ∞  0 e −x 2 dx = √ π 2 . 6.3 Phương trình sai phân tuyến tính với hệ số hằng Đối với phương trình sai phân tuyến tính thì bằng phép đổi biến ta đưa về hệ phương trình tuyến tính cấp 1. Trong mục này, hệ thống lại một số kết quả về công thức nghiệm phương trình cấp cao được suy ra một cách tương tự từ phương trình cấp 1. Định lý 6.6. Nghiệm tổng quát x n của (2.2) bằng tổng ˆx n và x ∗ n , với x ∗ n là một nghiệm riêng bất kì của (2.2). Định nghĩa 6.5. x n1 , ···, x nk được gọi là k nghiệm độc lập tuyến tính của 258 Chương 6. Khảo sát dãy số và phương trình sai phân (2.3) nếu từ hệ thức C 1 x n1 + ···+ C k x nk =0 suy ra C 1 = ···= C k =0. Định lý 6.7. Nếu x n1 ···,x nk là k nghiệm độc lập tuyến tính của (2.3), thì nghiệm tổng quát ˆx n của (2.3) có dạng ˆx n = C 1 x n1 + ···+ C k x nk , trong đó C 1 ,C 2 , ···,C k là các hằng số tuỳ ý. Định lý 6.8. Nếu λ 1 ,λ 2 , ···,λ k là k nghiệm thực khác nhau của (2.4) và c 1 , c 2 , ···, c k là k hằng số tuỳ ý thì ˆx n = c 1 λ n 1 + c 2 λ n 2 + ···+ c k λ n k là nghiệm tổng quát của phương trình sai phân tuyến tính thuần nhất (2.3). Chú ý 6.4. Nếu phương trình đặc trưng (2.4) có nghiệm thực λ j bội s, thì ngoài nghiệm λ n j ,tacónλ n j ,n 2 λ n j , ···,n s λ n j cũng là các nghiệm độc lập tuyến tính của (2.3) và do đó ˆx n = s−1  i=0 C i j n i λ n j + k  j=i=1 C i λ n i . Ví dụ 6.27. Tìm các hàm f : Z −→ R thỏa mãn các điều kiện f(x + y)+f(x − y)=f(x)f(y), ∀x, y ∈ Z,f(0) =0,f(1) = 5 2 . Cho x = n ∈ Z ,y =1ta được f(n +1)+f(n −1) = f(n)f(1). Đặt f(n)=u n ta thu được phương trình sai phân u n+1 = 5 2 u n − u n−1 ,u 0 = f(0) =0,u 1 = 5 2 . 6.3. Phương trình sai phân tuyến tính với hệ số hằng 259 Cho x =1,y =0ta được f(1)f(0) = 2f(1), suy ra f(0) = 2 = u 0 . Ta dễ dàng tìm được nghiệm f(x)=2 x + 1 2 x , ∀x ∈ Z. Định lý 6.9. Nếu phương trình đặc trưng có nghiệm phức λ j = a + ib = r(cos ϕ + i sin ϕ) thì ˆx n = k  j=i=1 C i λ n i + r n (C 1 j cos nϕ + C 2 j sin nϕ). Ví dụ 6.28. Cho f : N ∗ −→ R thỏa mãn các điều kiện f(n +2)=f(n +1)− f(n),f(1) = 1,f(2) = 0. Chứng minh rằng |f(n)|  2 √ 3 3 , ∀n ∈ N ∗ . Đặt f(n)=u n ta được bài toán giá trị ban đầu u n+2 = u n+1 − u n ,u 1 = f(1) = 1,u 2 = f(2) = 0. Phương trình đặc trưng có nghiệm phức λ 1 = 1+i √ 3 2 ,λ 2 = 1 −i √ 3 2 . Ta có λ = cos π 3 + i sin π 3 . Ta dễ dàng tìm được nghiệm của bài toán giá trị ban đầu là u n = cos nπ 3 + √ 3 3 sin nπ 3 . Do đó |f(n)|   1 2 + 3 9 = 2 √ 3 3 , ∀n ∈ N ∗ . Định lý 6.10. Nếu phương trình đặc trưng có nghiệm phức λ j bội s thì ˆx n = k  j=i=1 C i λ n i +r n [(A 1 +A 2 n+···+A s n s−1 ) cos nϕ+(B 1 +B 2 n+···+B s n s−1 ) sin nϕ]. 260 Chương 6. Khảo sát dãy số và phương trình sai phân Một số trường hợp có thể tìm nghiệm riêng một cách đơn giản. • Trường hợp f n = P m (n),m∈ N 1. Nếu λ 1 , ···,λ k là các nghiệm thực khác 1 của phương trình (2.4) thì y ∗ n = Q m (n),m∈ N,vớiQ m (n) là đa thức cùng bậc m với f n . 2. Nếu (2.4) có nghiệm λ =1bội s thì y ∗ n = n s Q m (n),m∈ N,vớiQ m (n) là đa thức cùng bậc m với f n . Ví dụ 6.29. Cho f : N ∗ −→ R thỏa mãn các điều kiện f(n +1)−2f(n)+f(n − 1) = n +1,f(1) = 1,f(2) = 0. Chứng minh rằng (6f(n) − 24) là bội của n với n  6. Đặt f(n)=u n ta được bài toán giá trị ban đầu u n+1 −2u n + u n−1 = n +1,u 1 = f(1) = 1,u 2 = f(2) = 0. Phương trình đặc trưng có nghiệm kép λ =1. Nghiệm tổng quát của phương trình thuần nhất là A + nB. Ta tìm nghiệm riêng dưới dạng n 2 (an + b).Dễ dàng tìm được a = 1 6 ,b= 1 2 . Do đó u n = A + Bn + n 2  1 6 n + 1 2  và nghiệm của bài toán giá trị ban đầu là u n = f(n)=4− 11 3 n + n 3 6 + n 2 2 . Do đó (6f(n) − 24) = (n 3 +3n 2 −22n) chia hết cho n. Ví dụ 6.30. (Đề dự tuyển IMO - 1992) Giả sử a, b là 2 số thực dương. Tìm tất cả các hàm f :[0, ∞) −→ [0, ∞) thỏa mãn điều kiện f(f(x)) + af(x)=b(a + b)x. 6.3. Phương trình sai phân tuyến tính với hệ số hằng 261 Vì phương trình hàm trên đúng với mọi x ∈ [0, ∞) nên f(f(f(x))) + af(f(x)) = b(a + b)f(x),x= f(x). Tương tự như vậy ta thu được f n+2 (x)+af n+1 (x)=b(a + b)f n (x). Cố định x ta thu được phương trình sai phân u n+2 + au n+1 = b(a + b)u n . Phương trình đặc trưng có 2 nghiệm λ = b, λ = −a − b. Khi đó f n (x)=u n = K · b n + L · (−a − b) n . Ta có u 0 = x = K + l, u 1 = f(x)=Kb −L(a + b). Vì f n :[0, ∞) −→ [0, ∞) nên 0  f n (x) (a + b) n = K  b a + b  n +(−1) n L. Mặt khác, do  b a+b  n → 0 khi n →∞nên ta phải có L =0.Vậy f(x)=Kb = bx. • Trường hợp f n = P m (n)β n 1. Nếu các nghiệm của (2.4) đều là các nghiệm thực khác β thì y ∗ n = Q m (n)β n ,vớiQ m (n) là đa thức bậc m. 2. Nếu (2.4) có nghiệm λ = β bội s thì y ∗ n = n s Q m (n)β n ,vớiQ m (n) là đa thức bậc m. Ví dụ 6.31. Xét phương trình sai phân x n+4 − 10x n+3 +35x n+2 − 50x n+1 +24x n =48· 5 n . [...]... 268 Chương 6 Khảo sát dãy số và phương trình sai phân Trường hợp an = c = constan, ta có α xn = [ + c n−1 k=1 fk n ]c , k−1 c c > 1 17 Xác định số hạng tổng quát của dãy {xn } nếu biết x1 = α > 0, an > 0, ∀n ∈ N, k ∈ R xn+1 = an xk n Logarit hoá hai vế của phương trình theo cơ số e ta được ln xn+1 = ln an + k ln xn Đặt dãy số phụ ln xn = yn đưa về phương trình dạng yn+1 − kyn = ln an Đặt dãy số phụ... 1), 25 32 264 Chương 6 Khảo sát dãy số và phương trình sai phân 5 Giải các phương trình sai phân sau a xn+3 − 7xn+2 + 16xn+1 − 12xn = 0 Hướng dẫn: Phương trình đặc trưng có các nghiệm λ1 = 2 (kép), λ2 = 3 b xn+3 − 5xn+2 + 8xn+1 − 6xn = 0 Hướng dẫn: Phương trình đặc trưng có các nghiệm λ1 = 3, λ2 = 1 + i, λ2 = 1 − i c xn+6 − 3xn+5 + 4xn+4 − 6xn+3 + 5xn+2 − 3xn+1 + 2xn = 0 Hướng dẫn: Phương trình đặc trưng... dzn , với n = 0, 1, 2 · · · và y0 = α, z0 = 1 là hệ phương trình sai phân tuyến tính thuần nhất cấp 2 đã biết cách giải 6.4 Hệ phương trình sai phân tuyến tính thuần nhất với hệ số hằng 6.4 271 Hệ phương trình sai phân tuyến tính thuần nhất với hệ số hằng Xét hệ phương trình sai phân tuyến tính thuần nhất k ẩn dạng U n+1 = AU n , (3.1) trong đó A là ma trận vuông cấp k và U0 là véc tơ cho trước Giả... thỏa mãn đề bài với mọi m, n 9 Xác định số hạng tổng quát của dãy {xn } nếu biết x1 = α, x2 = β, x m+n = xm +xn ∀m, n ∈ N∗ , m+n ∈ N 2 2 2 Hướng dẫn: Dễ thấy xn = x (n+1)+(n−1) 2 266 Chương 6 Khảo sát dãy số và phương trình sai phân Giải phương trình sai phân tuyến tính thuần nhất với điều kiện ban đầu x1 = α, x2 = β ta được xn = 2α − β + (β − α)n 10 Xác định dãy số {xn } nếu biết xmn = xm xn Hướng...262 Chương 6 Khảo sát dãy số và phương trình sai phân Phương trình đặc trưng có các nghiệm λ1 = 1, λ2 = 2, λ3 = 3, λ4 = 4 đều khác 5 Từ đó ta nhận được x∗ = 2 · 5n n α, β ∈ R • Trường hợp fn = α cos nx + β sin nx, Tìm nghiệm riêng dưới dạng ∗ yn = a cos nx + b sin nx Ví dụ 6.32 Tìm nghiệm riêng x∗ phương trình sai phân n xn+3 − 2xn+2 − xn+1 + 2xn = (2 − √ nπ nπ 2) cos + 2 sin 4 4 Sử dụng phương. .. ], a 2 a và 1 xn = √ [(γ + a n γ 2 − 1)3 + (γ − 21 Xác định số hạng tổng quát của dãy {xn } nếu biết x0 = α, xn+1 = ax3 + 3xn , n n γ 2 − 1)3 ] a > 0 270 Chương 6 Khảo sát dãy số và phương trình sai phân Đặt xn = 2 √ yn a Ta có √ α a y0 = =γ 2 và 3 yn+1 = 4yn + 3yn Do y0 = γ nên tồn tại ϕ sao cho chϕ = γ Chứng minh bằng quy nạp ta được yn = sh3n ϕ Do đó 2 xn = √ sh3n ϕ a 22 Xét phương trình xn+1... xn+1 = xn , 2+xn n∈N xác định một dãy, hãy tìm số hạng tổng quát của dãy số 267 6.3 Phương trình sai phân tuyến tính với hệ số hằng Hướng dẫn: Đặt dãy số phụ yn = 1 , xn khi đó ta có yn+1 − 2yn = 1 Giải phương trình này ta nhận được yn = (a + 1)2n−1 − a , a xn = a (a + 1)2n−1 − a suy ra Ta phải tìm giá trị của a sao cho xn = −2, ∀n 14 Xác định số hạng tổng quát của dãy {xn } nếu biết x1 = α, x2 = β... 1 Xác định số hạng tổng quát un của dãy số nếu biết 263 6.3 Phương trình sai phân tuyến tính với hệ số hằng un+1 = un + 2n, Đáp số: un = n2 − n + 2 u1 = 2 un+1 = 15un − 14n + 1, Đáp số: un = 99 − n2 b u0 = 7 un+1 = 2un + 3n , Đáp số: un = 7 · 2n + 3n c u0 = 8 un+1 = 7un + 7n+1 , d Đáp số: un = (101 + n)7n u0 = 101 1 1 un+1 = √2 un − √2 sin nπ , 4 e Đáp số: un = cos nπ 4 u0 = 1 2 Dùng phương pháp... ki 18 Xác định số hạng tổng quát của dãy {xn } nếu biết x1 = α > 0, xn+1 = fn+1 xk , n fk n fn > 0, ∀n ∈ N, k ∈ R Chuyển về dạng xn+1 xk = n, k fn+1 fn đặt dãy số phụ vn = xn fn Ta có k vn+1 = vn Logarit cơ số e hai vế, ta được ln vn+1 = k ln vn 269 6.3 Phương trình sai phân tuyến tính với hệ số hằng Đặt dãy số phụ un = ln vn xn = fn [ α kn−1 ] f1 19 Xác định số hạng tổng quát của dãy {xn } nếu... + · · · + αk λn Avk 1 2 k = α1 λn+1 v1 + α2 λn+1 v2 + · · · + αk λn+1 vk 1 2 k = U n+1 Vậy U n = α 1 λn v 1 + α 2 λ n v 2 + · · · + α k λn v k 1 2 k 272 Chương 6 Khảo sát dãy số và phương trình sai phân là nghiệm tổng quát của hệ phương trình sai phân tuyến tính (3.1) Tổng hợp lại vấn đề vừa nêu ta có định lý sau: Định lý 6.11 Nếu v 1, v 2, · · · , vk là các véc tơ riêng độc lập tuyến tính tương ứng . đa thức bậc m. Ví dụ 6.31. Xét phương trình sai phân x n+4 − 10x n+3 +35x n+2 − 50x n+1 +24x n =48· 5 n . 262 Chương 6. Khảo sát dãy số và phương trình sai phân Phương trình đặc trưng có các nghiệm. −1), u 1 =0. b.  u n+1 = n n+1 (u n +1), u 1 =0. c.  u n+1 = n(n+1) (n+2)(n+3) (u n +1), u 1 =0. d.  u n+1 = n(n+1)···(n+k) (n+k+1)···(n+2k+1) (u n +1), u 1 =0. 264 Chương 6. Khảo sát dãy số và phương trình sai phân 5. Giải các phương trình sai phân sau a. x n+3 −7x n+2 +16x n+1 −12x n =0. Hướng dẫn: Phương trình đặc trưng có các nghiệm. ··· và y 0 = α, z 0 =1là hệ phương trình sai phân tuyến tính thuần nhất cấp 2 đã biết cách giải. 6.4. Hệ phương trình sai phân tuyến tính thuần nhất với hệ số hằng 271 6.4 Hệ phương trình sai phân